автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обоснование параметров технологического процесса улучшения посевных свойств семян зерновых культур

Диссертация Крона Романа Викторовича защищена на заседании диссертационного совета К120.13.01 в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии 28 июня 1999 года (протокол № 10)

СТАВРОПОЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи Крон Роман Викторович

Обоснование параметров технологического процесса улучшения посевных свойств семян

Зерновых культур

специальность 05.20.02 - электрификация сельского хозяйства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Захарченко В. Г., к.т.н., профессор

Научньм консультант: Федорищенко Г. М., к.т.н., доцент

Ставрополь - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ПРЕДПОСЕВНОЙ

СТИМУЛЯЩИ СЕМЯН 7

1.1. Влияние различных факторов, применяемых при стимуляции, на посевной материал 7

1.2. Обзор технических средств для предпосевной стимуляции семян 18

1.3. Выводы • 28

' л.,"' ;■•>:■•• Д '

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕДПОСЕВНОЙ

СТИМУЛЯЦИИ СЕМЯН 31

2.1. Физиологические аспекты действия магнитных

полей на биологические объекты 31

2.2. Энергопередача при стимуляционных воздействиях магнитными полями и ее влияние на скорость протекания биологических реакций 36

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 43

3.1. Методика определения степени воздействия градиентного магнитного поля на воду 43

3.2. Методика оценки посевных качеств семян 4 4

3.3. Описание лабораторной установки 4 б

3.4. Методика определения параметров технологического процесса и получения математических зависимостей для описания процесса предпосевной обработки семян

3.5. Методика определения оптимальных доз воздействия электромагнитного поля на посевной материал

с-9

и

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 64

4.1. Результаты исследований по определению влияния электромагнитного поля на свойства воды 64

4.2. Результаты определения влияния предпосевной обработки посевного материала градиентным магнитным полем 68

4.3. Результаты испытания установок роторного типа для предпосевного стимулирования семян градиентным магнитным полем 87

5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УЛУЧШЕНИЯ ПОСЕВНЫХ СВОЙСТВ СЕМЯН ЗЕРНОВЬК КУЛЬТУР С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ 105

ОБЩИЕ ВЫВОда И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 111

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 113

ПРИЛОЖЕНИЯ 126

ВВЕДЕНИЕ

Более 250 лет ученые пытаются самыми различными физическими факторами повлиять на развитие и продуктивность растений и к настоящему времени накоплен большой и в значительной степени весьма ценный материал, так или иначе характеризующий эти процессы. Хотя высказано немало ценных соображений относительно механизма действия физических факторов, тем не менее до сих пор недостаточно обоснована гипотеза, которая бы удовлетворительно вскрывала причины стимуляционных воздействий.

К настоящему времени накоплен большой, весьма ценный материал, так или иначе характеризующий эти процессы. В последние годы внимание многих исследователей все больше привлекает электромагнитная обработка семян, не требующая больших материальных затрат на изготовление оборудования, легко стыкующаяся с современными агротехническими приемами и имеющейся сельскохозяйственной техникой, практически безопасная для обслуживающего персонала и посевного материала (чего не скажешь о химической обработке) и дающая весьма обнадеживающие положительные результаты.

Воздействие постоянных и однородных магнитных полей на семена в настоящее время уже довольно хорошо изучено.

Некоторые варианты установок для обработки посевного материала различными разновидностями магнитных полей используются во всем мире. В Горьковском сельскохозяйственном институте разработан проект и изготовлена машина, обеспечивающая обработку семян в поле коронного разряда, в магнитном поле и с одновременным воздействием обоими факторами; установки для предпосевной обработки семян магнитными полями "УМоС" и "Биомаг", разработаны и изготовлены в Канаде фирмой "Гарольд Форстер Ин-дастриес Лимитед" и широко используются фермерами Америки и Канады.

Общий недостаток известных технологий с использованием предпосевной обработки семян электромагнитными полями - невозможность точного прогнозирования результатов обработки, в том числе определения необходимых параметров электромагнитного поля, для получения стабильного положительного эффекта. Это объясняется сложностью физических воздействий на посевной материал, многообразием функциональных изменений в процессах жизнеобеспечения прорастающих семян и неоднозначной ответной реакцией каждого отдельно взятого семени на эти воздействия.

Недостаточная теоретическая и экспериментальная обоснованность механизма действия физических факторов на посевной материал, отсутствие глубоких исследований самого технологического процесса и нестабильность эффекта положительного влияния на семена, существенно затрудняют промышленное внедрение в процесс подготовки посевного материала предпосевной стимуляции его электромагнитными полями.

Все это свидетельствует об актуальности разработки технологического процесса предпосевной стимуляции семян и обоснования его параметров.

Данная работа направлена на теоретическое и экспериментальное обоснование такого технологического процесса, который позволил бы обеспечить стабильное повышение посевных качеств семян сельскохозяйственных культур в условиях отечественного сельскохозяйственного производства.

Изучение влияния электромагнитных полей на посевные качества семян проведено в соответствии с научно-исследовательской работой НИОКР по договору с главным управлением высших учебных заведений, регистрационный № 124-52-1А, на конкурсной основе.

По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ, принята к рассмотрению заявка на получение патента.

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ПРЕДПОСЕВНОЙ СТИМУЛЯЦИИ СЕМЯН

1.1. Влияние различных факторов, применяемых при стимуляции, на посевной материал

Урожайность сельскохозяйственных культур в значительной степени определяется посевными качествами семенного материала, которые зависят от условий формирования семян в период вегетации, своевременной и качественной подготовки в допо-севной период путем очистки и отбора семенных фракций на сортировальных машинах. В последнее время в цикл подготовки постепенно включаются физические факторы воздействия на семена .

За последние годы накоплено много фактического материала, свидетельствующего о том, что воздействие на семена физических факторов повышает всхожесть и энергию прорастания, усиливает фотосинтетическую активность, деятельность ферментов и окислительно-восстановительных процессов в обмене веществ, что приводит к усилению роста и развития растений, к изменению их биохимического состава, часто к улучшению качества продукции: содержанию сахара, крахмала, масел и других веществ в урожае, ускорению созревания, увеличению урожайности [1,11-18,24-44,47,50,64-66,70,72,76-84,99-103, 110,111 и Др. ] .

В научно-исследовательских учреждениях и сельскохозяйственных ВУЗах, расположенных в разных почвенно-климатических зонах России, ближнего и дальнего зарубежья проведено большое количество исследований по- выявлению действия на рост и развитие растений самых различных физических факторов, получены положительные результаты по их стимулирующему действию

как в лабораторных, так и в полевых опытах и производственных испытаниях.

Приведем краткую характеристику наиболее распространенных способов предпосевного стимулирования семян.

Ультразвуковая обработка.

Применяется для "озвучивания" семян помидоров, дынь, кукурузы, капусты, лука. Обработанные ультразвуком семена обладают повышенной активностью вследствие изменения проницаемости клеточных оболочек и повышения активности ферментативной системы. Это создает предпосылки для увеличения урожайности. Вместе с тем, необходимо сделать вывод, что ультразвуковая обработка семян малоперспективна для широкого внедрения, т.к. стимулирующий эффект выявляется только при условии "озвучивания" семян в водной среде [30].

Гамма -облучение.

Позволяет ускорить прорастание семян некоторых культурных растений, увеличивает полевую всхожесть и количество продуктивных стеблей и, как следствие, урожайность (до 13%) . К недостаткам можно отнести зависимость эффективности предпосевного облучения от погодных условий в вегетационный период, отрицательное влияние на ряд хозяйственных признаков растений, снижение интенсивности дыхательного режима растений, различный отклик семян на обработку даже в пределах одной культуры. Главньм недостатком данного способа стимулирования является то, что увеличение дозы обработки может вызвать летальный исход [105,106].

Фотоактивация.

Повышает зимостойкость, уничтожает головневые заболевания зерновых культур и ряд других патогенных микроорганизмов, способствует лучшей всхожести при недостатке влаги. Нельзя не отметить противоречия в методических подходах и результатах разных авторов - энергия облучения в разных ра-

ботах меняется в пределах 10000%, кроме того, не выяснен механизм взаимодействия лазерного излучения с растительными клетками [77,79].

Электрические поля (электростатическое поле и. поле

коронного разряда) .

Положительное действие электрических полей выражается в увеличении энергии прорастания и всхожести, улучшении роста и развития растений, повышении урожайности на 10-12%. Отмечается также улучшение качества продукции, хлебопекарных качеств зерна. Стимулирующее действие данного способа обработки сохраняется в ряде поколений. К недостаткам можно отнести сложность системы электропитания установок для предпосевной стимуляции, необходимость повышенных мер противопожарной безопасности и безопасности обслуживающего персонала, связанных с возможностью искрового пробоя воздушного промежутка между электродами или непосредственным поражением электрическим током с рабочим напряжением десятки киловольт [10,16,17,77].

Многочисленными опытами установлено положительное действие электромагнитных полей на полевую всхожесть, энергию прорастания, рост и развитие зерновых, овощных и технических культур, высказаны некоторые теоретические предположения, в той или иной мере объясняющие механизм воздействия- ряда физических факторов на посевной материал.

На сегодняшний день все более пристальное внимание со стороны исследователей привлекает электромагнитная обработка посевного материала, в частности - использование магнитной составляющей электромагнитного поля [86].

Магнитное поле - это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитными моментами, Величина и направление силы, действующей . со стороны поля зависит либо от координат х, у г % точки, в которой

определяется действие поля, либо от координат и от времени. В первом случае магнитное поле принято называть стационарным, во втором - нестационарным [96]. Примером стационарного поля является поле постоянного магнита.

Если рассматривать магнитное поле созданное соленоидом, питаемым постоянным током, то можно выделить участок поля, на котором силовые линии поля параллельны и имеют одинаковую плотность, то есть поле одинаковое во всех точках. Такое поле называется стационарным однородным полем. Если же соленоид питать переменньм током, то поле внутри соленоида будет нестационарным однородным, так как существует зависимость индукции от времени по периодическому закону, но значение индукции во всем пространстве меняется одинаково.

Магнитное поле, величина индукции которого неодинакова в точках с различными координатами, называется неоднородным. Так же как и однородные поля, неоднородное поле может быть стационарным или нестационарным. В практике сельского хозяйства неоднородные магнитные поля принято называть градиентными.

Магнитная обработка вещества по сравнению с цельм рядом других методов обработки не сопряжена с трудоемкими и дорогостоящими операциями, не оказывает вредного воздействия на обслуживающий персонал (как, например, химическая или радио-нуклидная обработка), не- дает при обработке летальных для посевного материала доз, является весьма технологичным и легко автоматизируемым процессом, воздействие легко и точно дозируется, является экологически чистым видом обработки, легко стыкуется с применяемыми в настоящее время агроприема-ми [59]. Немаловажньм является то, что растения, выросшие из обработанных семян, не имеют в дальнейшем патологических изменений и индуцированных мутаций [68].

Канадские и американские фирмы используют установки для магнитной обработки семян в фермерских хозяйствах уже несколько десятков лет. В 1975 году только в одном канадском штате Альберта на установках типа "УМОС" в магнитном поле было обработано около 20000 тонн семян. Обработанное в магнитном поле зерно ячменя, пшеницы, кукурузы, сои по данным канадских исследователей дает урожай в среднем на 5 - 15% выше, чем необработанные семена. В результате обработки наблюдалось более дружное прорастание семян и увеличение силы роста томатов, перца, огурцов, сахарной свеклы и кукурузы [112].

В 1970 - 1971 гг. канадскими учеными были проведены исследования по влиянию обработки постоянным магнитным полем напряженностью 1150 Э в течение 10 суток вьрезанных глазков, клубней картофеля. В полевых условиях от опытных растений было получено в среднем 5,9 клубней на куст при 4,3 клубней на куст в контрольном (необработанном) варианте. Средний урожай составил соответственно 28,9 и 20,9 т/га, т.е. урожай обработанных клубней дал прибавку около 38% по сравнению с контролем. Дополнительную прибавку урожая (до 14%) дало увеличение размера клубней из обработанного посевного материала.

Главным недостатком данной технологии, на наш взгляд, является очень длительный период обработки, что отрицательно сказывается на производительности способа. Использование в конструкции установки постоянных магнитов существенно усложняет ее изготовление и снижает возможности по подбору параметров обработки.

В Ставропольской ГСХА проводятся многолетние исследования по воздействию магнитных полей на семена полевых культур [19,20,21,23,42,60,87,88,89,93]. Семена гороха сортов "Труженик" и "Сатурн" обрабатывались в постоянном и градиентном (неоднородном) магнитных полях на лабораторных установках. Для изучения влияния постоянного магнитного поля на

всхожесть и энергию прорастания, семена гороха сорта "Труженик" обрабатывались в поле индукцией: 0,03 ... 0,09 Тл, при экспозициях от 2 до 120 секунд и времени отлежки обработанных семян до закладки опыта от 0 до 11 суток. • В лучшем варианте получены энергия прорастания на 13,6% и всхожесть на 12,0% выше, чем у контрольных семян. В ■ 1996 ■ году семена гороха сорта "Сатурн" обрабатывались в градиентном магнитном поле индукцией 0,02 и 0,03 Тл при экспозициях 4, 6, 8, 10 секунд. Семена проращивались на фильтровальном ложе, замоченном в дистиллированной воде. При проращивании семян без отлежки, в ходе опыта определяли дружность прорастания (количество проростков через одни сутки после закладки семян на проращивание). Этот показатель посевных качеств был на 9,0 и 6,1% выше в опытных вариантах - при экспозиции 6 и 8 секунд соответственно, чем у контрольных семян. Данная работа является логическим продолжением этих исследований.

Эксперименты, проведенные в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне по изучению действия магнитных полей на живые организмы, показали, что при оптимальных режимах воздействия магнитным полем наблюдается повышение всхожести семян целого ряда растений, а в опытах с картофелем, кроме того, увеличение числа проростков у семенных клубней. В основу подбора параметров была положена рабочая гипотеза о том, что основное значение в биологическом действии магнитных полей принадлежит не абсолютной величине его напряженности, а скорости ее изменения в. пространстве и во времени. За годы наблюдений достоверная прибавка урожая в результате предпосевной обработки клубней картофеля магнитным полем составляет в среднем от 14 до 41 ц/га или 6 - 29% [111,114] . На основе проведенных исследований был создан портативный прибор "Биомаг" для обработки семян сельскохозяйственных культур магнитным полем с целью стимулирования их потенци-

альных возможностей. В лаборатории семеноведения с помощью прибора "Биомаг" в течении 4-х лет изучали действие электромагнитного поля на семена гороха, гречихи, проса и ячменя. Проведенные исследования показали, что такая предпосевная обработка способствует стимуляции роста и развития проростков. Длина корешков у обработанных семян на 4-е сутки превышала контроль (без обработки) на 10-12%, ро�